Rezistentele mecanice ale betonului

Rezistentele mecanice ale betonului

În aprecierea comportarii betonului la solicitari mecanice trebuie sa se tina seama de structura lui specifica (material poros si microfisurat, cu concentrare a defectelor in zona de interfata matrice-agregat).

Ca si la alte materiale fragile, procesul de rupere al betonului trece prin trei faze:

initierea fisurarii;

propagarea fisurilor;

cresterea si dezvoltarea fisurilor.

Se considera ca la o incarcare sub 30% din s_max, curba caracteristica s e este aproximativ liniara.

La aceasta solicitare nu se produc modificari structurale esentiale, deformatiile sunt preponderent elastice iar fisurile preexistente in beton sunt stabile, avand o foarte mica tendinta de propagare.

Între 30-50% din s_max, fisurile se propaga foarte incet, cea mai mare dezvoltare a acestora fiind la interfata matrice-agregat. Curba s e isi modifica panta.

La sarcini mai mari de 50% din s_max, fisurile incep sa se extinda in matrice conectandu-se cu fisurile preexistente, ajungand la dezvoltarea unui sistem continuu de fisuri. La o incarcare de 75% din s_max, apare o dezvoltare intensa a fisurilor in matrice, care formeaza un sistem de fisuri instabil si betonul cedeaza.

Numai tinand seama de structura specifica poate fi explicat caracterul treptat al ruperii betonului, prin smulgere, dupa directia deformatiei maxime.

În beton, fisurile nu se propaga in linie dreapta, ci urmeaza un drum sinuos in jurul agregatelor sau in jurul diferitelor faze din piatra de ciment. Agregatele ca si porii functioneaza ca blocanti ai fisurilor.

Pentru betonul de mare rezistenta sistemul de fisuri traverseaza si agregatul.

Rezistentele mecanice ale betonului (cat si alte proprietati) sunt influentate de factori de compozitie, metode de preparare si pastrare, de structura, de conditii de incercari, etc.

1. Rezistenta la compresiune

Rezistenta la compresiune este unul din principalele criterii de apreciere a calitatii unui beton. Cunoasterea rezistentei la compresiune da indicatii suficient de precise asupra rezistentei la alte solicitari precum si asupra celorlalte proprietati fizico-mecanice ale betonului.

Rezistenta betonului la compresiune depinde, in afara de calitatea betonului si de alti factori, cum ar fi: conditiile de incercare, forma si dimensiunile probei, modul de confectionare si pastrare, viteza de incarcare, etc. Pentru ca valorile obtinute sa fie comparabile si reproductibile trebuie respectate cu strictete conditiile de determinare prevazute in standarde.

Determinarea rezistentei la compresiune se face distructiv sau nedistructiv. Determinarea se executa pe cel putin trei epruvete de forma cubica (rezistenta cubica, R_b), pe prisme (rezistenta prismatica, R_pr) sau pe cilindri (rezistenta cilindrica, R_cil) (tab.V-7).

Tabelul V-7. Valorile rezistentei la compresiune a unor betoane, determinata pe epruvete de forma diferita

Determinarea rezistentelor la compresiune se poate realiza cu sau fara frecare intre corpul de proba din beton si platanul metalic al presei.

În cazul incercarii cu frecare apar eforturi tangentiale la limita de separare beton-metal, care impiedica deformatiile transversale ale probei, marind rezistenta betonului. Ruperea epruvetei se produce prin detasarea partilor sale laterale dupa planuri inclinate la circa 30° fata de verticala (fig. V.8).

Figura V.8. Modul de rupere al epruvetelor din beton la incercarea la compresiune cu frecare intre platane si proba

Figura V.9. Modul de rupere al epruvetelor din beton la incercarea la compresiune fara frecare intre platane si proba

Daca se anuleaza frecarea la suprafetele de contact prin ungere cu parafina, interpunerea de foi de plumb, carton, atunci umflarea transversala a probei este libera pe toata inaltimea sa, iar ruperea se produce prin aparitia fisurilor paralele cu directia eforturilor de compresiune (fig. V.9).

Ruperea se produce in general prin matrice si zona de contact dintre matrice si agregate, unde se concentreaza mare parte a defectelor din structura betonului.

Rezistenta la compresiune se determina:

in cadrul incercarilor preliminare, care au ca scop stabilirea compozitiei betonului ce urmeaza a fi folosit la executarea lucrarii, stabilirea regimului de tratare termica;

in cadrul incercarilor de control in diferite faze ale procesului de executie (decofrare, tratare termica, transfer, manipulare, dare in exploatare etc);

pentru verificarea clasei betonului in cursul executiei;

pentru verificarea calitatii betonului din elemente de constructii.

Clasa betonului reprezinta o valoare conventionala privind rezistenta la compresiune luata in consideratie la proiectare si care trebuie realizata de betonul pus in lucrare.

Verificarea clasei se efectueaza pe epruvete confectionate, pastrate si incercate conform standardelor la varsta de 90 zile pentru betoane hidrotehnice masive si la 28 zile pentru betoanele destinate celorlate categorii de constructii.

Orientativ, betoanele de clasa C 2.8/3.5 se utilizeaza ca material de izolare termica, iar cele de clasa C6/7.5 pentru constructii slab solicitate. Pentru constructii obisnuite se folosesc betoane de clasa pana la C16/20, iar pentru cele puternic solicitate sunt indicate clasele mai mari decat C18/22.5. Clasele superioare C32/40, C40/50 se folosesc mai ales la betoanele precomprimate.

Pentru evaluarea rezistentei betonului s-au efectuat cercetari multiple, incercandu-se stabilirea unei relatii care sa cuprinda in mod corespunzator, toti factorii care influenteaza sensibil aceasta caracteristica.

Cea mai cunoscuta si utilizata este relatia Bolomay-Skramtaev, aplicata betoanelor lucrabile:

(5.3)

unde:

R_b - reprezinta rezistenta la compresiune a betonului la 28 zile;

R_c - rezistenta reala la compresiune a cimentului la aceeasi varsta cu a betonului;

c/a - inversului raportului apa/ciment;

K - coeficient, a carui valoare se ia egala cu 0,50 pentru agregate de concasare, pentru cimenturi uzuale si pentru un raport apa/ciment cuprins intre 0,4-0,65 si se ia valoarea 0,45 cand agregatele sunt de balastiera, restul conditiilor ramanand constante.

Relatia poate fi folosita pentru calcularea compozitiei betonului, rezultand raportul apa/ciment pentru R_b, R_c si K cunoscute.

Rezistenta la compresiune a betonului este influentata de calitatea componentilor sai, de proportia lor, de calitatea adeziunii din matrice si agregate, de modul si conditiile de punere in lucrare, de factorii fizici si chimici care intervin in timpul exploatarii, de varsta betonului, etc.

Rezistenta la compresiune, in conditii favorabile creste logaritmic in timp, cresterea depinzand de natura cimentului, de conditiile de intarire etc.

2. Rezistenta la intindere

Rezistenta la intindere axiala a betonului, R_t, este cea mai mica dintre rezistentele sale, reprezentand doar 1/6-1/20 din rezistenta la compresiune, functie de clasa betonului (tabelul V-8).

Spre deosebire de compresiune, unde in prima etapa se produce o compactare a masei betonului prin inchiderea microfisurilor initiale, la intindere, procesul de afanare a structurii interne se dezvolta odata cu cresterea efortului unitar.

Ruperea este brusca, prin smulgere, iar deformatiile sunt aproximativ de 10 ori mai mici decat in cazul compresiunii, comportare caracteristica materialelor fragile. Sistemul de fisuri format este mai instabil decat cel format in cazul solicitarii prin compresiune.

Tabelul V-8. Corelatia dintre rezistenta la intindere axiala R_t (daN/cm²) si clasa betonului

Rezistenta la intindere axiala se poate determina pe epruvete cilindrice sau prismatice, la capetele carora se lipesc cu adezivi piese metalice cu ajutorul carora epruvetele se centreaza si se supun la tractiune directa (fig. V.10) si se calculeaza cu relatia:

N/mm² ,daN/cm², MPa (5.4)

in care:

F - forta maxima care produce ruperea, in N sau daN;

A - suprafata de rupere, in mm² sau cm².

Figura V.10. Determinarea rezistentei la intindere axiala

Din cauza dificultatilor de centrare a fortei, in practica se admite ca determinarea lui R_t sa se faca direct pe baza solicitarilor la intindere din incovoiere sau prin despicare.

Rezistenta la intindere din incovoiere (R_ti) se determina pe prisme de 100 ´ ´ 550 mm sau 150 ´ ´ 600 mm, in functie de dimensiunea maxima a agregatului, solicitate conform fig. V.11.

Rezistenta la intindere din incovoiere, R_ti, este data de relatia:

N/mm² sau daN/cm², (5.5)

unde:

F - forta de rupere, in N;

l - distanta dintre reazeme, in mm;

b - latimea medie a sectiunii transversale, in mm;

h - inaltimea medie a sectiunii transversale, in mm.

Figura V.11. Determinarea rezistentei la intindere din incovoiere

Rezistenta la intindere din incovoiere (R_ti) este mai mare decat rezistenta la intindere axiala (R_t), ca urmare a plasticizarii betonului. Diagrama de eforturi arata ca in momentul ruperii, in timp ce rezistenta la intindere este aproape complet folosita, fibrele comprimate nu lucreaza inca la intregul potential.

Rezistenta la intindere prin despicare prezinta avantajul unei incercari simple care se poate efectua pe cuburi, pe fragmente de prisme rezultate in urma incercarii la incovoiere sau pe cilindri. Solicitarea asupra epruvetei se face prin intermediul a doua fasii de carton sau a doua sipci de lemn, asezate intre fetele epruvetei si placile presei (fig. V.12).

Rezistenta la intindere prin despicare, R_td, este data de relatia:

N/mm² (5.6)

in care:

F - forta de rupere, in N;

b - latimea medie a sectiunii transversale de rupere, in mm;

h - inaltimea medie a sectiunii transversale la rupere; in mm.

Figura V.12. Determinarea rezistentei la intindere prin despicare

În afara de forma si dimensiunile epruvetelor, rezistenta la intindere este functie de clasa betonului si rezulta ca este influentata de aceeasi factori ca si rezistenta la compresiune.

3. Rezistenta la oboseala

Se determina prin solicitarea alternativa a probelor de beton la o valoare ce variaza intre 0,5 si 0,8 din solicitarea statica care produce ruperea.

Sub efectul incarcarilor si descarcarilor repetate, betonul isi modifica lent structura, ajungand intr-un anumit stadiu la oboseala. Acest fenomen este caracterizat prin aparitia si dezvoltarea microfisurilor, care in cazul continuarii solicitarii se transforma in fisuri macroscopice care preced ruperea.

Rezistenta la oboseala a betonului se determina la solicitari ciclice de intindere axiala, compresiune, incovoiere, in functie de natura solicitarilor la care va fi supus elementul de beton in timpul exploatarii.

Rezistenta la oboseala este influentata de compozitie, de structura, varsta si conditiile de pastrare a betonului si de amplitudinea de oscilatie a eforturilor alternante. Ea este mai mica decat rezistenta statica, iar deformatiile sunt de 2-4 ori mai mari, cu o crestere atat a deformatiilor elastice cat si a deformatiilor plastice, ruperea avand un caracter exploziv.

Deoarece majoritatea structurilor ingineresti (stalpi, grinzi de beton armat, baraje, imbracaminti rutiere, piste de aterizare, etc) sunt supuse in timpul exploatarii la incercari variabile, este necesar sa se cunoasca comportarea betonului la astfel de solicitari.

4. Rezistenta la soc si uzura

Betonul utilizat la fundatii pentru masini, piloti, imbracaminti rutiere, piste de aterizare, pardoseli industriale, trebuie sa reziste la solicitari de soc si uzura.

Rezistenta la soc creste cu marca betonului, iar la rezistente egale, betoanele cu modul de elasticitate mai mic au o comportare mai buna.

Rezistenta la soc a betonului este mai buna decat a constituentilor luati separat, betonul fiind un material cu o buna capacitate de a absorbi energia aplicata prin soc.

Comportarea la uzura (abraziune) a betonului depinde de rezistenta la compresiune, de proprietatile agregatelor, starea si proprietatile suprafatelor.